3 爆轰波的流体力学理论2

3.8 聚能效应

3.8.1 聚能效应的基本现象

20世纪50年代以来，各国学者都在探求爆炸产物的有效利用问题。与前面介绍的爆炸作用不同，聚能效应是通过利用特殊形状的装药来达到提高其局部爆炸破坏作用的目的。

随着测试手段的科学化和现代化，瞬时高压作功的物理过程能够得以揭示，炸药爆炸的聚能效应也就逐渐得到了广泛的应用。目前，聚能装药在战时被广泛应用于各种穿甲、破甲雷弹及战时破坏作业（如大型桥梁、建筑物的破坏）；在平时用于快速切割金属（如打捞沉船等）、在硬土或冻土中快速穿孔、破碎孤石（悬石和危石）、在抢险救灾中快速清除障碍物（陆上或水中障碍物，如楼房、桥梁、树木等）、利用线性聚能装药拆除大型钢结构建筑物、桥梁以及切割贵重石材等。

根据爆轰产物沿其外法线方向散射这一基本规律，在装药底部或一侧予留空穴（如锥形、半球形、线形、抛物形、双曲线形等），或再加药型罩并取适当炸高（从聚能药包的底面（即药型罩底面）到穿孔目的物间的距离），爆炸时，由于空穴的存在，从而产生冲击、高压、碰撞、高密度、高速运动的气体流或金属流（带金属罩时），就可使爆炸能量沿轴线方向向外射出较高能量密度的聚能流，并集中到一定方向上发挥作用。这种利用装药一端（侧）的空穴使爆轰产物聚集、增加能量密度、以提高局部破坏作用的现象称为聚能现象，其效应称为聚能效应或空心效应，又称诺尔曼效应。能形成聚能流的装药称为聚能装药，其装置为聚能装置。

聚能效应是外部装药爆炸直接作用的一种特殊情况（非接触爆破），其作用在于使爆炸能在一定的方向集中起来，从而使爆炸的局部破坏效应增强。其主要特点是：装药底部（或一侧）有空穴；装药底面（或一侧）与目标间有一最有利距离；破甲能力很强。有空穴是其基本特点，也是形成聚能效应的基本条件。

聚能装药爆炸后，具有高温、高压的爆轰产物沿装药表面法线方向迅速散射时，在空穴影响下，必然在空穴前方汇集于一点（线性装药汇集成一线），此点（线）处的爆轰产物密度可增大数倍，速度可达每秒万米以上，温度可达数千摄氏度，压力可达几十兆帕。若空穴外壳采用金属药型罩，则会形成密度更大、压力更高的射流。在这种高温高压高速射流作用下，目标可视作流体，对目标具有很大的穿透能力，达到穿孔或切割的目的。

不同的装药形式具有不同的破坏效果。对于普通无空穴的园柱体装药，爆炸后爆轰产物近似沿装药表面法线方向散射，其速度一般为每秒数千、压力数量级一般为1×104MPa；当装药一端制成锥形空穴起爆后，爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥形空穴表面的方向向药柱轴线汇聚，使能量集中，此处聚能流速度高达每秒万米以上，密度比普通装药大4~5倍，高压的爆轰产物在沿轴线汇聚时，形成更高的压力区，比普通装药高10余倍，这种高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。

由于上述两个因素的综合作用，气流不能无限地集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，以后又迅速飞散开了。也就是气流在聚能过程中，动能（约占总能量的1/4）是能够集中的，而位能（约占3/4）不但不能集中，反而起飞散作用。如果设法把能量尽可能转化成动能形式，就能进一步提高能量的集中程度。提高的方法是在空穴内表面嵌装一个形状相同的药型罩。这种装药形式的爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，将能量传递给金属罩。由于金属罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的极大部分表现为动能形式，这样就可避免由于高压膨胀引起的能量分散而使能量更加集中，形成一束速度和动能比气体射流更高的金属射流。研究表明，由于金属流速度高，直径小，金属呈热塑状态，密度远比

爆轰产物高，因此,有药型罩的聚能效应必然比无药型罩的聚能效应明显增加，从穿透深度上看可增加15~20倍。

例如，用同等药量的不同装药形式对中碳钢靶板进行爆炸破坏深度试验（图3-23），从表3-4的试验结果可以看出，不同形状的药柱引爆后，其穿透钢板的作用效果是不同的。

表3-4 黑梯50/50的药柱对靶板的破坏深度

3.8.2 聚能装药的类型

常见的聚能装药主要分为四种类型（如图3-24所示）,即轴对称轴向聚能装药、轴对称侧向聚能装药、轴对称径向聚能装药和面对称聚能装药。

（1）轴对称轴向聚能装药 该类型聚能装药主要用于隧道掘进、大块岩石破碎、排除哑炮、清除水下块石和构筑物、处理溜井卡塞和采场悬石及平炉出钢口堵塞的处理等。

轴对称轴向聚能装药有多种空穴形状，如小锥角形、大锥角形、半球形、抛物线形、双曲线形、圆弧形（主要用于军事工业）等。

对于作用钢板和坚硬岩石的聚能装药，很多资料认为锥形金属罩比较好，因为它的速度大，对穿孔有利。

（2）轴对称侧向聚能装药

该类型聚能装药主要用于石材开采，光面、预裂爆破（即隧道周边眼爆破），定向断裂控制爆破，露天浅孔边坡爆破，矫正石油钻孔弯斜等。 d

c b a 1

2

4

5

6

3

d

c

b

a

主要类型有：轴对称侧向双面聚能切割装药、条形双侧向聚能装药、圆柱形双侧向聚能装药、侧向聚能复合型装药等。

（3）轴对称径向聚能装药

该类型聚能装药主要用于石油工业压裂、震松岩石、破坏孔壁、切断直径1m 以上岩心柱，处理孔内卡、埋钻事故，震松套管柱或炸断套管柱，以及切割混凝土柱等。

主要类型有：径向内圆聚能装药（切割器）、径向外圆聚能装药、径向聚能切割装药、射孔－压裂复合装药、径向聚能复合装药等。

（4）面对称聚能装药

该类型聚能装药主要用于金属的聚能切割方面，如打捞沉船、切割废旧钢铁制品、拆除爆破切割钢梁、深井内切割井管等。

主要类型有：线型切割装药、面对称切割装药和线型弹丸装药等。目前这三种切割装药中以线型聚能切割装药应用最广，也最容易掌握。 3.8.3 聚能效应的基本原理 3.8.3.1 轴对称轴向聚能效应

在普通药柱的一端沿轴向开一个凹槽，该凹槽即为轴对称轴向聚能穴，其原理如图3-25所示。当装药爆炸时产生的柱状爆轰产物到达聚能槽（穴）内两翼面时，爆轰产物将改变原来的运动方向，爆轰波阵面后的爆轰产物表层某一分子m 受两种力作用：第一种力是爆生气体的膨胀力，它垂直于翼面，使分子m 垂直翼面以速度v 运动；第二种力为后面分子的推挤力，它垂至于波阵面，使分子m 以速度μ运动。因此，爆轰产物的表层分子m 运动速度为两个速度的向量和，即：

→

→

→

+=μνV （3-47）

所以，爆炸产物的最大作用方向，即速度V 的方向，它偏

离翼面法线一个很小的角度γ,一般 10~7=γ，由于无数个射流微元按

10~7的角度互相聚合，结果形成射流，如图3-26（d ）、（e ）所示。这个角γ称为射流聚合角，或称为爆炸能辐射角之半。

射流微元在距凹槽底部一定距离处发生最大聚合点，此点称为聚能射流的焦点。焦点距凹槽底部的距离称为焦距。当障碍物距凹槽底部的距离超过焦距后，由于爆炸产物的侧向飞散，射流的能量密度降低，聚能效应将迅速衰减，甚至消失。因此，在焦点附近聚能效应最显著，破坏力最大。其焦距可按下式计算：

)}cos(/]sin )cos({[sin tan γαγγααβ+++=b R （3-47）

式中，b －聚能槽翼宽；

α－聚能槽顶角之半； β－压跨角。

总之，由于爆炸产物以速度V 在凹槽内的对称方向互相碰撞聚合，爆炸产物流比朝其它方向飞散的爆炸产物具有更高的速度和密度，形成一个具有一定厚度，能量密度极高的能流面。

图3-25 聚能射流原理图